PSoC3和PSoC5的嵌入式數字濾波技術(shù)

我們嵌入了在整個(gè)線(xiàn)路頻率范圍上都超出了最嚴格的無(wú)功功率準確度要求的 6 極點(diǎn) IIR 濾波器(圖 4 和圖 5)，從而避免使用會(huì )消耗整個(gè)系統處理功率的希爾伯特變換器方法。此外，我們的方法還具有低通特性，可大幅減弱電流波形中的諧波，使無(wú)功功率估算能獲得基本信息。

圖 4 和圖 5：頻率為 50Hz 的專(zhuān)用 n=6 嵌入式 IIR 精確正交生成器。

現代電表應用中還有一個(gè)重要的頻率響應整形電路，即補償 di/dt 類(lèi)型電流感應器(如羅氏線(xiàn)圈或 Sentec Mobius)頻率響應所需的積分器。這種電路的低頻響應上升會(huì )加重前端本身的低頻模擬噪聲問(wèn)題。這對標準的有源功率測量不構成問(wèn)題，但客戶(hù)對擴大電流檢測動(dòng)態(tài)范圍的需求越來(lái)越高，以便確保電力基礎設施的視在功率和有效耗散得到準確計算。在電流極低的情況下，積分器的噪聲組件會(huì )導致電流測量出現較高的誤差。

此外，由于增益不能無(wú)限上升，否則 DC 增益就會(huì )無(wú)限加大，因此積分器在傳統器件中會(huì )降低到較低的頻率，這就會(huì )產(chǎn)生對高精度應用而言非常明顯的相誤差問(wèn)題。為了支持 di/dt 感應器的可選使用，我們設計了另一種 6 極點(diǎn) IIR濾波器，用來(lái)限制低頻響應(根據前端設計的不同，集成噪聲性能提升了 9 ~ 15dB)，同時(shí)還能在工作頻帶中提供理想積分器的振幅和相響應，實(shí)現比作為參照的“標準”計量芯片(圖 6 中的綠色跡線(xiàn))更高的準確性。

上述所有信號處理工作都由數字濾波器塊在高品質(zhì) Δ-Σ 調制器提供的相關(guān)多路復用信號上自動(dòng)實(shí)施，不需要處理器的干預。

圖 6：嵌入式 IIR 濾波的高準確度低噪聲積分器(藍色跡線(xiàn))

通信濾波器和檢測器

IEC 61334-5 SFSK 電力線(xiàn)通信標準在計量應用中非常流行，它采用了 SFSK(Spread FSK)標準。該標準是從 FSK(頻率移動(dòng)鍵控)發(fā)展而來(lái)的，其中標記頻率和空間頻率的距離比通常的數據速率要大得多。如果抵達信號被一對銳帶通濾波器拆分，只挑出標記或空間頻率分量，則數據調制就能從兩個(gè)通道之一中獨立提取出來(lái)。由于在濾波器頻率響應不重疊的情況下，單音調干擾源不能同時(shí)阻止兩個(gè)通道的解調制，因此這有助于提高抗干擾能力?；谙嚓P(guān)器的傳統 FSK 解調器不能實(shí)現這么出色的抗干擾性。

圖 7 和圖 8 顯示了常見(jiàn)標記/空間頻率對情況下，一對設計用于數字濾波器塊的濾波器頻率響應。上述濾波器可方便地進(jìn)行重新配置，隨時(shí)滿(mǎn)足不同頻率和帶寬要求。在實(shí)際實(shí)施方案中，濾波器從主 ADC之一獲得輸入，而在此之前需要通過(guò)圍繞 PGA(可編程增益放大器)構建 AGC 電路。

圖 7和圖 8：60/73kHz SFSK 的嵌入式分割濾波器;2x n=8 IIR，速度為 384ksps。

為了從濾波后的信號中提取數據，要對每個(gè)信號的絕對值進(jìn)行校正(在數字濾波器塊中設置適當控制寄存器位即可實(shí)現)。

圖 9：極端過(guò)載條件下從兩個(gè)濾波器通道中檢測到的輸出

校正信號通過(guò)同樣運行在數字濾波器塊上的低通濾波器，并同跟蹤信號電平的閾值進(jìn)行比較。在我們希望構建的 PSoC5 實(shí)施方案中，每個(gè)通道的 SNR 由通用數字塊邏輯加以估算，數據傳遞給標準內部UART，所有這些都無(wú)需 CPU 的一般干預。圖 9 顯示了交叉頻率為 66.5kHz 且存在 +30dB 干擾音時(shí)，在最終輸出處對調制信號檢測到的響應。兩個(gè)數據流均未受影響。

精確音頻均衡器(圖形均衡、段均衡和任意均衡)

PSoC3 和 PSoC5 數字濾波功能結合靈活的可編程通用數字塊，可為消費音頻產(chǎn)品和配件設計提供可擴展的靈活平臺。為了演示 PSoC3 的音頻濾波功能，我們設計了一款運行在數字濾波器塊上的立體聲十頻段圖形均衡器，其濾波器系數由 CPU 通過(guò)遠程應用提供的目標增益值即時(shí)計算得出。立體聲音頻編解碼器通過(guò)標準的I2S 接口連接到 PSoC3。該設計與通過(guò)單一本地晶體生成所有標準音頻主時(shí)鐘頻率的頻率合成系統共同實(shí)施在通用數字塊陣列上，其抖動(dòng)較低，能夠滿(mǎn)足優(yōu)質(zhì)音頻回放的要求。該合成系統可同步于一般數字接口格式的成幀模式。

圖 10和圖 11：PSoC3 中嵌入式濾波的觸摸控制頻率響應

在 44.1kHz 采樣率下，十頻段立體聲均衡器使用數字濾波器塊大約一半的可用資源。系數計算例程可從本地控制(如 CapSense 按鈕和滑條)以及通過(guò)遠程接口提供的控制協(xié)議動(dòng)態(tài)地獲得更新信息。圖 10 給出了演示應用的屏幕截圖，該演示運行在一款著(zhù)名音樂(lè )播放器上，它嵌入了控制均衡器所設置的算法，可確保系統頻率響應精確通過(guò)滑塊的“增益點(diǎn)”，并實(shí)時(shí)調節頻率響應。出于比較目的，圖 11 顯示了原始的濾波器模擬。這種超級精確的頻率響應控制簡(jiǎn)化了“復雜的”喇叭外殼聲學(xué)設計，也有助于車(chē)內駕駛員子系統和公共廣播應用的設計工作。

在用戶(hù)偏好均衡完成之后，數字濾波器塊還能剩下足夠的資源來(lái)實(shí)施多頻段交叉濾波器組。輸出結果可通過(guò)多個(gè) I2S 接口提供給外部 DAC 或數字放大器。我們可以通過(guò)驅動(dòng)頻率響應實(shí)現非常精微的控制，確保對接裝置、微型立體聲設備和平板電視等的小型多路聲學(xué)設計能獲得優(yōu)質(zhì)效果。通過(guò)管理用戶(hù)界面、通信和電源的同一設備，高通道數分布式音響加強和消息系統也能受益于這種簡(jiǎn)化的頻率響應調節技術(shù)。

結論

本文僅簡(jiǎn)要介紹了嵌入式數字濾波技術(shù)。由于篇幅所限，我們沒(méi)有深入討論“立體聲增強”功能、數字麥克風(fēng)的抽選濾波器以及設計人員已經(jīng)開(kāi)始在其中挖掘 PSoC3 和 PSoC5 強大信號處理功能的多種工業(yè)感應器調節和醫療應用領(lǐng)域。